智能電磁材料與結構綜述

宋維力

（北京理工大學 先進結構技術研究院，北京 100081）

高性能電磁隱身材料與結構在航天、航空、探測、通信等工業及高端裝備領域需求迫切。電磁隱身技術是通過利用電磁隱身材料與結構，減弱、抑制、吸收、偏轉電磁波的強度，最大程度地降低探測系統發現和識別的概率。微波波段的電磁隱身材料分為：1）電磁隱身材料，包括電損耗介質、磁損耗介質以及電磁耦合共損復合介質材料；2）電磁隱身結構：包括隱身超材料（超構結構）及電阻屏式隱身結構等。目前，實現“輕、寬、薄、強”（質量輕、頻段寬、厚度薄、吸收強）高性能電磁隱身材料的問題依然突出[1-3]。

對于電磁隱身材料，單層介質通常能夠在窄頻段內通過產生四分之一的波長諧振，實現較強的電磁衰減特性。然而，由于本征復介電常數與復磁導率之間的差異較大，單層介質與空氣阻抗的匹配條件還需進一步提升。傳統的電磁隱身材料包括：介電損耗型、磁損耗型以及磁介耦合共損型[4-8]，因在低頻波段更易于拓寬有效吸收，磁介耦合共損型吸波介質一直受到關注。自從2004年車仁超等人[4]發現鐵@碳納米管/環氧樹脂復合材料具有寬頻吸收特性以來，基于納米碳材料發展磁介耦合異質結構的聚合物基吸波介質的研究取得了重要進展。曹茂盛與陳玉金等人[7]在磁介耦合異質納米結構的設計和機理研究領域進行了較為系統的研究工作。此外，在多功能電磁響應材料方面，由于聚合物基體與納米碳材料在形貌、結構、組分、性能方面具有很強的設計性，因此通過設計制備納米碳/聚合物復合材料，不僅具備良好的電磁響應特性，同時具備獨特的力學性能[9-12]。

對于電磁隱身結構來講，以電磁隱身超材料為例，雖然容易與空氣阻抗匹配，實現材料匹配特性，但是由于其單頻率窄帶的選擇特性，單層內平面單元很難在超寬帶內實現多頻點的有效吸波，同樣需要多層超材料結構匹配或者采用大厚度立體錐形設計，拓寬吸波帶寬。相比傳統的電磁隱身材料而言，電磁隱身超材料這類由亞波長結構單元構成的人工結構，能夠實現各種新型功能器件的設計，為電磁理論開辟了一個全新的研究方向，在隱身技術、微波器件、天線、頻率選擇表面等多領域得到了迅猛的發展[13-26]。

與此同時，智能可調頻電磁隱身材料與結構是解決隱身材料突出問題的一種創新手段。通過調控隱身材料本征物理參數或者改變隱身材料的結構設計與參數，可在多個頻段實現諧振吸收峰的移動，轉變信號響應的頻率，進而改變隱身結構對外界目標電磁波頻段的響應能力。因此，相同條件下，智能可調頻電磁隱身材料與結構擁有更加優異的吸波帶寬與靈活性，極大地降低了隱身材料的厚度和質量，增強了隱身材料的寬頻響應，并在智能化電磁響應裝備中具有更廣的發展前景。

目前，智能電磁材料與結構已經受到了同行的關注，并在近幾年內取得了重要進展。本綜述中，首先提出了一個相對粗略的電磁智能系統框架，該框架有待于同行們進一步完善與修正。在此基礎上，從不同的層級分析討論了近幾年以來的典型例子，最后對智能材料與結構進行了展望。由于篇幅關系，本綜述不能面面俱到，相關的優秀工作可以從近幾年的其他綜述中查找閱讀。

1 從系統層級到材料層級

相比傳統的電磁材料與結構而言，智能電磁材料與結構對器件集成與系統組裝匹配方面的需求更加迫切，特別是通過主動調控與變化的器件，在智能化系統中對多個學科與多個技術層面的交叉集成要求更高。圖1是筆者理解的相對粗略的電磁智能系統框架，有待進一步完善與更正。

在圖1中，筆者初步思考了從智能材料到智能系統的層級與要素。首先，從綠色區域來看，智能系統需要構建感知與響應兩個功能系統，因而具有電磁響應功能的智能化器件是響應系統的關鍵組成。進一步往下，該器件是由特定結構構型的智能電磁響應結構設計集成，而影響該結構的關鍵包括兩個方面—智能電磁結構本征特性以及構成結構的智能電磁響應材料。其次，黃色區域代表每一個層級所對應的關鍵參數。例如，在材料層級，電磁隱身材料的復介電常數、復磁導率、直流/交流電導率等對電磁響應材料性能的影響很關鍵；在結構層級，結構設計的特征尺寸、結構中的材料分布規律、結構的等效材料參數等會直接影響結構的電磁響應特性；在器件層級，器件的電磁響應功能對組成器件的材料與結構參數、器件調節與控制參數等非常敏感；在系統層級，組成系統的各個器件之間交互參數與控制參數會影響系統的功能特性。再次，從藍色區域來看，對智能系統到智能材料的構造而言，每個層級均需要不同材料體系（金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料以及復合材料等）。因此，材料體系能夠涵蓋并服務于智能系統中的每一層級需求。在圖1中的上方部分為可調控外場，包括物理場或者化學場，目前可考慮為力、熱、聲、光、電、磁、化等。本文后續部分將圍繞提出的幾個層級分別進行分析。

1.1 智能電磁響應材料

在智能電磁響應材料方面，主要從兩個場的角度進行介紹，即熱場（溫度）與化學場。在溫度調控方面，主要考慮利用溫度依賴的介電性能與電導性能，不同溫度下，材料本征物理特性發生變化，影響電磁響應功能的改變。國內較早開展溫度調控與研究的課題組是北京理工大學曹茂盛教授小組[27-36]，其主要圍繞低維微納米材料體系（包括金屬氧化物與碳材料體系）進行研究。此外，西北工業大學殷小偉教授小組[27-41]主要圍繞SiC材料體系開展工作。如圖2所示，2018～2010年，曹茂盛教授課題組主要研究了具有溫度響應的介質材料（包括納米二氧化錳/二氧化硅復合材料、碳納米管/二氧化硅復合材料、碳纖維/二氧化硅復合材料、納米鈷鏈/二氧化硅復合材料等體系），由于氧化物與碳材料本征極化、電損耗及磁損耗會隨著溫度的升高而大幅變化，當環境溫度在50～300 ℃變化時，對應的復合材料在8.2～12.4 GHz波段內會實現不同帶寬的電磁隱身性能調控[27-36]。

在化學調控方面，可以通過外場引發相變或者引入新相實現。例如，南京航空航天大學姬廣斌教授等人[42]設計了一種柔性低頻雷達隱身器件，通過電壓控制，能夠實現介電實部和虛部的可控調節，反射損耗值在1.5～2.0 GHz范圍內低于-5 dB。在引入新相方面，宋維力等人[43]通過在多孔電介質結構中引入極性水分，調控多孔石墨烯雙三維結構的本征電磁響應參數，在電磁波微波頻段構造了具有電磁響應的三明治結構，對電磁波的傳輸實現了調控。

1.2 智能電磁響應結構與器件

電磁響應結構中，電磁隱身超材料是一種典型的可設計人工結構，能夠針對性地對電磁波進行調控。國內外從事電磁超材料（微波波段）研究的科研人員（高校與行業部門）較多，由于本文篇幅限制，國內外電磁超材料課題組的工作進展可以在近期發表的電磁超材料綜述中進行查閱。

智能電磁響應結構分為兩類：一類是主動調控型，另一類為被動調控型。主動調控型結構通常需要匹配一個主動調控器件，通過主動控制該結構中的材料參數或者結構參數，實現電磁響應功能變化。通常來說，多數主動調控型電磁響應結構以器件的形式呈現。相比之下，被動調控型智能電磁響應結構相對簡單，由于不需要額外的主動控制器件，這類結構多為開放式體系，能夠在環境或者外場變化的情況下進行調節。因此，主動調控型電磁響應結構（器件）不僅要做好電磁響應結構中材料與結構的參數設計，還需要做好控制器件的參數匹配。在把握好兩者區別的基礎上，以下列舉的主動調控型與被動調控型結構與器件不單獨分開討論。

智能電磁響應結構與器件中，以電磁隱身為設計目標的工作多以智能可調隱身超材料為主體，其設計理念是利用超材料頻率選擇的特殊性，在超材料設計時引入結構或者材料可調頻參數，通過不同場的調控，實現電磁隱身超材料調頻功能[44-48]。目前，調控工作涉及在不同外場加載的可調電子器件領域。例如，江建軍教授等[44]設計了含 PIN二極管的有源頻率選擇表面的超材料隱身結構，通過調節結構中的偏置電壓改變諧振特性，在5.3～13 GHz實現最佳寬度隱身性能。黃善國教授課題組等[45]采用釔鐵石榴石設計了超材料隱身結構，通過外磁場改變磁性超材料結構的磁場分布，在8～12 GHz波段實現了窄帶吸收峰移動。常勝江等教授[46]在超材料結構中引入具有溫度響應特性的InSb介質，隨著溫度從160 K變化到350 K，吸收峰從0.82 THz逐漸增加到1.02 THz。引入新相調頻，通過設計環境開放式電磁超材料，利用不同天氣條件下引入或者去除極性水分子、冰晶體等方式，對超材料的本征材料參數與結構功能進行調控，實現了潤濕與低溫環境調控的超材料電磁性能的智能調控。超材料力學性能還具備調控能力，適應多種工況環境，為智能可調控電磁超材料的制備提供了新的方案[47]。此外，通過光控激發[48]與電荷注入或者化學摻雜調頻[49]的方法，也在太赫茲波段的超材料中得到了驗證。

需要強調的一點是，這種主動調控電磁隱身設計理念與機理不僅在微波波段能夠發揮優異的特性，在光學波段也能夠實現同樣的功能。如圖3所示，基于吸波材料工作機理（即1/4波長相位干涉相消原理），2019年北京理工大學方岱寧院士團隊[50]通過控制納米級硅膜的厚度（將其控制在1/4光學波長范圍內），利用硅膜的反射襯底銅構造相位干涉相消。在此基礎上構造電化學電池，巧妙地利用電壓控制電化學電池中鋰離子在納米硅膜中的脫嵌行為，調控硅膜的本征材料參數以及厚度參數，進而驅使該器件對光線反射產生干擾。該器件具有很強的設計應用前景，能改變硅薄膜的初始厚度和導電集流體顏色，可以任意定制所需要的顏色調控范圍。通過光刻技術，可以定制各種顯色圖案。并且，該變色系統和硅基鋰離子電池具有良好的兼容性，在硅基鋰離子電池的可視化實時監控中也有巨大的應用前景。

值得注意的是，進行離位調控的其他方式，將來均可通過設計相關的控制系統，實現智能化電磁響應。在材料層級，南開大學黃毅教授與陳永勝教授等人[51]基于石墨烯氣凝膠，提出了壓力調控電磁隱身介質，在 GHz波段內實現了由體積變形引起的寬頻調頻隱身性能。在結構層級，復旦大學彭慧勝教授與車仁超教授等[3]通過調整兩層陣列織物堆疊時的交互角度，改變了電磁波的極化與傳播損耗方式（組成材料沒有變化，三維空間中整體電極結構參數發生變化）。當交互角度在 0°～90°間時，能實現 7.2～12.2 GHz范圍內有效電磁隱身帶寬的調控。

在智能電磁響應系統方面（不包含較為成熟的智能通信系統），由于大量的工作集中在智能電磁隱身材料與結構方面，智能電磁隱身系統方面相對成熟的工作相對較少，這方面不僅需要應用產業部門提出關鍵需求，同時需要應用研發部門與產業部門建立系統的產學研開發鏈條。

2 結語

發展智能電磁響應系統目前依然處于一個發展萌芽時間，隨著多個學科的快速發展，為該領域創造了一個充滿活力的多學科交叉環境。從目前來看，不論是智能電磁響應系統，還是智能電磁響應材料，在每個層級的設計、制造、集成、機理、評價等多個方面，都存在許多尚未解決的科學問題。因此，需要同行科學與工程工作者們同時從不同層級與方向開展工作，豐富智能電磁響應系統中各方面的內涵，推動各個層級的發展步伐，從而能夠更早實現智能電磁響應系統在實際工程中的使用，讓智能化裝備與智能化生活離我們更近。